油松育苗地施用污泥厌氧消化产品重金属污染风险评价

摘要 [目的]探究城镇排水污泥厌氧消化产品在油松育苗地施用后的重金属累积情况及其污染风险，为判定其应用的可行性及确定其施用量提供依据。[方法]在现有18年生油松大苗育苗地，采取随机区组试验设计，按0、1、2、3、4、5 kg/m2设置6个施用量水平定株施入污泥产品，通过测定土壤中铜（Cu）、镍（Ni）、铬（Cr）、锌（Zn）、镉（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、铅（Pb）8种重金属的含量，利用潜在生态危害指数法对不同处理下的土壤环境质量进行评价。[结果]铜、镍、铬、锌、铅5种重金属随着污泥产品施用量的增加呈现先减少后增加的趋势，且在污泥产品中含量较高的铜、锌在0～20和20～40 cm土层中对照组皆显著高于4 kg/m2的处理（P<0.05），砷和汞含量变化幅度不大。不同土层重金属总量随施肥量增加的变化趋势类似，并在0～20 cm土层4 kg/m2处理下出现最小值。重金属镉具有产生污染的潜在风险，且在4 kg/m2处理下潜在生态危害指数最低。其他重金属单独作用或8种重金属共同作用均为低生态风险。[结论]综合考虑镉的生态风险及重金属含量的变化情况，在油松大规格苗木移植培育育苗地施用污泥产品可将用量控制在4 kg/m2较为适宜。

关键词 高级厌氧消化板框脱水;污泥产品;油松;重金属;潜在生态危害指数

中图分类号 X 820.4文献标识码 A文章编号 0517-6611（2022）02-0122-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.02.032

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Risk Assessment of Heavy Metal Pollution by Applying Sludge Anaerobic Digestion Products in the Nursery Field of Pinus tabulaeformis

LI Hai-yang1， SUN Wen-yan2， PENG Zuo-deng2et al

（1. Beijing Drainage Group Co.，Ltd， Beijing 100044;2. The Key Laboratory for Silviculture and Conservation of Ministry of Education， Beijing Forestry University， Beijing 100083）

Abstract [Objective] To explore the accumulation of heavy metals and pollution risks of the anaerobic digestion products of urban sewage sludge after application in the seedling nursery of Pinus tabulaeformis Carr.， so as to provide a basis for judging the feasibility of its application and determining its application rate.[Method] In the existing 18-year-old Pinus tabulaeformis seedling nursery， a randomized block experiment design was adopted， and 6 application levels were set at 0， 1， 2， 3， 4， and 5 kg/m2 to apply the sludge products. The contents of eight heavy metals such as copper （Cu）， nickel （Ni）， chromium （Cr）， zinc （Zn）， cadmium （Cd）， mercury （Hg）， arsenic （As） and lead （Pb） in the soil were determined.The potential ecological risk index method was used to evaluate the soil environmental quality under different treatments.[Result] The five heavy metals of copper， nickel， chromium， zinc， and lead showed a trend of first decreasing and then increasing with the increase in the application amount of sludge products， and the contents of copper and zinc in sludge products were significant higher in the control group than those in the treatment of 4 kg/m2 in the soil layer between 0-20 and 20-40 cm （P< 0.05）;variation in the content of arsenic and mercury was not significantly.The change trend of the total amount of heavy metals in different soil layers with increasing fertilization is similar， and the minimum value appeared at the treatment of 4 kg/m2 in the 0-20 cm soil layer. The heavy metal cadmium has the potential risk of pollution， and the potential ecological risk index is the lowest under the treatment of 4 kg/m2.Other heavy metals acting alone or 8 kinds of heavy metals acting together are all at low risk level.[Conclusion]Considering the ecological risk of cadmium and the change of heavy metal content， it is more appropriate to control the dosage of sludge products at 4 kg/m2 in the nursery land of large-scale seedling transplantation and cultivation of Pinus tabulaeformis.

Key words Advanced anaerobic digestion and frame dewatering;Sludge products;Pinus tabulaeforimis Carr.;Heavy metals;Potential ecological risk index

基金项目 国家发改委环境污染第三方治理“北京市污泥资源化苗圃种植项目”（发改办环资〔2015〕2075）;北京排水集团污泥资源化苗圃种植项目（2017HXFWLXY023）。

作者简介 李海洋（1991-），女，宁夏中卫人，工程师，从事固体废弃物资源化利用研究;孙文彦（1998—），女，河北沧州人，硕士研究生，研究方向：污泥林地利用。李海洋与孙文彦为共同第一作者。*通信作者，教授，博士，从事森林培育研究。

收稿日期 2021-04-19

近年来，各地在政府的大力支持下，城镇污水处理能力得到迅速提升，但同时也伴随着污泥产量的急剧增加。如何将产量巨大、成分复杂的污泥经过科学处理后，使其无害化、资源化，已成为我国乃至全世界在环境治理领域中深为关注的课题之一[1]。城市排水污泥中含有丰富的有机质和氮、磷、钾等可供植物生长需求的营养元素，能够有效改善土壤的理化性质，增加土壤孔隙度，减少土壤表面板结和地表径流等，因此将城市污泥作为农林土地利用被认为是众多处置方式中最理想的途径[2-4]。然而，由于城镇排水污泥产品来源的特殊性，施入土壤后是否会造成重金属污染又成为人们担忧的问题。研究表明，城市排水污泥进行高级厌氧消化板框脱水工艺形成的污泥产品（SADR）可以有效降低污泥中污染物含量，但仍有约50%的重金属、病原微生物、寄生虫卵等污染物富集在污泥中，可能会对土壤生态系统带来一定的影响[5-6]。近年来国内外对污泥产品土地利用的重金属污染风险研究较多。有学者指出，一般土壤重金属含量随污泥施用量的增加而增加，长期施用污泥会显著增加土壤重金属总量[7]。张辉等[8]研究发现，按不同比例施用污泥堆肥后，土壤中8种重金属均出现了一定程度的积累。Madrid等[9]则认为，重金属元素在污泥中比例很大，但由于土壤对重金属具有一定的固定能力，因此施用污泥产品不会对环境产生严重危害。薛万来等[10]研究也表明，相较于化肥常规施用，短期土地利用并未显著增加土壤重金属含量。目前关于城市排水污泥中的重金属对土壤的环境风险影响结论不一。该研究基于苗圃地培育大规格油松移植苗，施用不同量的SADR作为补充育苗地土壤营养，就其重金属在育苗地的积累及可能带来的土壤污染风险进行了监测和比较评价，以期为SADR的应用前景以及合理利用技术参数提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

选择北京市黄垡苗圃为研究地点。育苗地土壤为砂质壤土，通气透水性好，蓄水保肥能力较差[11-12]。区域降水主要集中在7—9月，多年平均降水量575.5 mm，年平均气温11.9 ℃。该研究选取苗圃培育的18年生大规格油松移植苗，苗木株间距为2 m×3 m，苗木生长势以及育苗地管护措施等均一致。

1.2 试验设计

参照《城镇污水处理厂污泥处置 林地用泥质》（CJ/T 362—2011）中对污泥林地年施用量限定值的相关规定，将SADR的施用量设为6个水平：0 kg/m2（CK）、1 kg/m2（T 1）、2 kg/m2（T 2）、3 kg/m2（T 3）、4 kg/m2（T 4）、5 kg/m2（T 5）。每个水平设置3次重复，采用完全随机区组设计，共设置18个试验小区。每个小区选取5 m×5 m地块。试验于2018年11月开始，采用撒施法，将SADR按设计的施用量均匀撒在每个小区内，撒施后立即轻搂地表土，使SADR混合入土壤，然后立即浇冬冻水，使湿土层深达40 cm以上。

1.3 样品采集与测定方法

1.3.1 SADR本底重金属含量测定。从待施的SADR中随机装取不少于2 kg的样品，将采出的样品按四分法缩分成1 kg，分装于2个清洁的自封袋中，排出空气，一袋密封保存，3次重复。检测结果如下：铜 130.67 mg/kg、镍42.33 mg/kg、铬57.33 mg/kg、锌277.33 mg/kg、镉0.43 mg/kg、汞0.50 mg/kg、砷5.60 mg/kg、铅25.00 mg/kg。

1.3.2 土壤样品采集。土壤样品的采集于2020年9月中旬开始，采用正方形对角五点取样法，以0～20（D 1）、20～40（D 2）和40～60 cm（D 3）3个土层分别进行土壤取样。

1.3.3 指标测定方法。检测指标包括铜、镍、铬、锌、镉、汞、砷、铅8种重金属含量。其中：铜、镍、铬、锌、铅按照《土壤总铬的测定 火焰原子吸收分光光度法》（HJ 491—2019）测定;镉按照《土壤质量 铅、镉的测定 石墨炉原子吸收分光光度法》（GB/T 17141—1997）测定;汞按照《土壤质量 总汞﹑总砷﹑总铅的测定 原子荧光法》（GB/T 22105.1—2008）测定;砷按照《土壤质量 总汞﹑总砷﹑总铅的测定 原子荧光法 》（GB/T 22105.2—2008）测定。

1.4 数据处理与分析评价

1.4.1 数据统计分析。使用Microsoft Excel 2019进行数据计算和图表绘制，运用SPSS 23.0进行统计分析，采用单因素方差分析进行显著性检验（P<0.05）。

1.4.2 潜在生态危害指数评价。该方法由Hakanson提出，适于评价污泥土地利用的重金属污染风险[13]。该法确定了重金属的毒性响应系数，从生态效应、环境效应等方面反应土壤中重金属的影响[10]。分为2步进行计算，首先计算潜在生态危害系数，用来评价某一种重金属元素对环境的污染程度;其次计算潜在生态危害指数用于描述多种污染物的综合环境污染风险[13]。其计算方法分别参照公式（1）和（2）。评价标准见表1。